The use of artificial intelligence algorithms to guide surgical treatment of adolescent idiopathic scoliosis

La scoliose idiopathique de l’adolescent (SIA) est une déformation tri-dimensionelle du rachis. Son traitement comprend l’observation, l’utilisation de corsets pour limiter sa progression ou la chirurgie pour corriger la déformation squelettique et cesser sa progression. Le traitement chirurgical reste controversé au niveau des indications, mais aussi de la chirurgie à entreprendre. Malgré la présence de classifications pour guider le traitement de la SIA, une variabilité dans la stratégie opératoire intra et inter-observateur a été décrite dans la littérature. Cette variabilité s’accentue d’autant plus avec l’évolution des techniques chirurgicales et de l’instrumentation disponible. L’avancement de la technologie et son intégration dans le milieu médical a mené à l’utilisation d’algorithmes d’intelligence artificielle informatiques pour aider la classification et l’évaluation tridimensionnelle de la scoliose. Certains algorithmes ont démontré être efficace pour diminuer la variabilité dans la classification de la scoliose et pour guider le traitement. L’objectif général de cette thèse est de développer une application utilisant des outils d’intelligence artificielle pour intégrer les données d’un nouveau patient et les évidences disponibles dans la littérature pour guider le traitement chirurgical de la SIA. Pour cela une revue de la littérature sur les applications existantes dans l’évaluation de la SIA fut entreprise pour rassembler les éléments qui permettraient la mise en place d’une application efficace et acceptée dans le milieu clinique. Cette revue de la littérature nous a permis de réaliser que l’existence de “black box” dans les applications développées est une limitation pour l’intégration clinique ou la justification basée sur les évidence est essentielle. Dans une première étude nous avons développé un arbre décisionnel de classification de la scoliose idiopathique basé sur la classification de Lenke qui est la plus communément utilisée de nos jours mais a été critiquée pour sa complexité et la variabilité inter et intra-observateur. Cet arbre décisionnel a démontré qu’il permet d’augmenter la précision de classification proportionnellement au temps passé à classifier et ce indépendamment du niveau de connaissance sur la SIA. Dans une deuxième étude, un algorithme de stratégies chirurgicales basé sur des règles extraites de la littérature a été développé pour guider les chirurgiens dans la sélection de l’approche et les niveaux de fusion pour la SIA. Lorsque cet algorithme est appliqué à une large base de donnée de 1556 cas de SIA, il est capable de proposer une stratégie opératoire similaire à celle d’un chirurgien expert dans prêt de 70% des cas. Cette étude a confirmé la possibilité d’extraire des stratégies opératoires valides à l’aide d’un arbre décisionnel utilisant des règles extraites de la littérature. Dans une troisième étude, la classification de 1776 patients avec la SIA à l’aide d’une carte de Kohonen, un type de réseaux de neurone a permis de démontrer qu’il existe des scoliose typiques (scoliose à courbes uniques ou double thoracique) pour lesquelles la variabilité dans le traitement chirurgical varie peu des recommandations par la classification de Lenke tandis que les scolioses a courbes multiples ou tangentielles à deux groupes de courbes typiques étaient celles avec le plus de variation dans la stratégie opératoire. Finalement, une plateforme logicielle a été développée intégrant chacune des études ci-dessus. Cette interface logicielle permet l’entrée de données radiologiques pour un patient scoliotique, classifie la SIA à l’aide de l’arbre décisionnel de classification et suggère une approche chirurgicale basée sur l’arbre décisionnel de stratégies opératoires. Une analyse de la correction post-opératoire obtenue démontre une tendance, bien que non-statistiquement significative, à une meilleure balance chez les patients opérés suivant la stratégie recommandée par la plateforme logicielle que ceux aillant un traitement différent. Les études exposées dans cette thèse soulignent que l’utilisation d’algorithmes d’intelligence artificielle dans la classification et l’élaboration de stratégies opératoires de la SIA peuvent être intégrées dans une plateforme logicielle et pourraient assister les chirurgiens dans leur planification préopératoire.

The berth allocation problem at port terminals : a column generation framework

Le problème d'allocation de postes d'amarrage (PAPA) est l'un des principaux problèmes de décision aux terminaux portuaires qui a été largement étudié. Dans des recherches antérieures, le PAPA a été reformulé comme étant un problème de partitionnement généralisé (PPG) et résolu en utilisant un solveur standard. Les affectations (colonnes) ont été générées a priori de manière statique et fournies comme entrée au modèle %d'optimisation. Cette méthode est capable de fournir une solution optimale au problème pour des instances de tailles moyennes. Cependant, son inconvénient principal est l'explosion du nombre d'affectations avec l'augmentation de la taille du problème, qui fait en sorte que le solveur d'optimisation se trouve à court de mémoire. Dans ce mémoire, nous nous intéressons aux limites de la reformulation PPG. Nous présentons un cadre de génération de colonnes où les affectations sont générées de manière dynamique pour résoudre les grandes instances du PAPA. Nous proposons un algorithme de génération de colonnes qui peut être facilement adapté pour résoudre toutes les variantes du PAPA en se basant sur différents attributs spatiaux et temporels. Nous avons testé notre méthode sur un modèle d'allocation dans lequel les postes d'amarrage sont considérés discrets, l'arrivée des navires est dynamique et finalement les temps de manutention dépendent des postes d'amarrage où les bateaux vont être amarrés. Les résultats expérimentaux des tests sur un ensemble d'instances artificielles indiquent que la méthode proposée permet de fournir une solution optimale ou proche de l'optimalité même pour des problème de très grandes tailles en seulement quelques minutes.

Methodische Grundlagen zur Bewahrung und Wiederherstellung großräumig funktionsfähiger ökologischer Beziehungen in der räumlichen Umweltplanung

Mit der Verwirklichung ,Ökologischer Netzwerke‘ werden Hoffnungen zum Stopp des Verlustes der biologischen Vielfalt verknüpft. Sowohl auf gesamteuropäischer Ebene (Pan-European Ecological Network - PEEN) als auch in den einzelnen Staaten entstehen Pläne zum Aufbau von Verbundsystemen. Im föderalen Deutschland werden kleinmaßstäbliche Biotopverbundplanungen auf Landesebene aufgestellt; zum nationalen Biotopverbund bestehen erste Konzepte. Die vorliegende Arbeit ist auf diese überörtlichen, strategisch vorbereitenden Planungsebenen ausgerichtet. Ziele des Verbunds sind der Erhalt von Populationen insbesondere der gefährdeten Arten sowie die Ermöglichung von Ausbreitung und Wanderung. Aufgrund fehlender Datengrundlagen zu den Arten und Populationen ist es nicht ohne weiteres möglich, die Konzepte und Modelle der Populationsökologie in die überörtlichen Planungsebenen zu übertragen. Gemäß der o.g. Zielstellungen sollte sich aber die Planung von Verbundsystemen an den Ansprüchen der auf Verbund angewiesenen Arten orientieren. Ziel der Arbeit war die Entwicklung einer praktikablen GIS-gestützten Planungshilfe zur größtmöglichen Integration ökologischen Wissens unter der Bedingung eingeschränkter Informationsverfügbarkeit. Als Grundlagen dazu werden in Übersichtsform zunächst die globalen, europäisch-internationalen und nationalen Rahmenbedingungen und Anforderungen bezüglich des Aufbaus von Verbundsystemen zusammengestellt. Hier sind die Strategien zum PEEN hervorzuheben, die eine Integration ökologischer Inhalte insbesondere durch die Berücksichtigung räumlich-funktionaler Beziehungen fordern. Eine umfassende Analyse der landesweiten Biotopverbundplanungen der BRD zeigte die teilweise erheblichen Unterschiede zwischen den Länderplanungen auf, die es aktuell nicht ermöglichen, ein schlüssiges nationales Konzept zusammenzufügen. Nicht alle Länder haben landesweite Biotopverbundplanungen und Landeskonzepte, bei denen dem geplanten Verbund die Ansprüche von Arten zugrunde gelegt werden, gibt es nur ansatzweise. Weiterhin wurde eine zielgerichtete Eignungsprüfung bestehender GIS-basierter Modelle und Konzepte zum Verbund unter Berücksichtigung der regelmäßig in Deutschland verfügbaren Datengrundlagen durchgeführt. Da keine integrativen regelorientierten Ansätze vorhanden waren, wurde der vektorbasierte Algorithmus HABITAT-NET entwickelt. Er arbeitet mit ,Anspruchstypen‘ hinsichtlich des Habitatverbunds, die stellvertretend für unterschiedliche ökologische Gruppen von (Ziel-) Arten mit terrestrischer Ausbreitung stehen. Kombiniert wird die Fähigkeit zur Ausbreitung mit einer Grobtypisierung der Biotopbindung. Die wichtigsten Grundlagendaten bilden die jeweiligen (potenziellen) Habitate von Arten eines Anspruchstyps sowie die umgebende Landnutzung. Bei der Bildung von ,Lebensraumnetzwerken‘ (Teil I) werden gestufte ,Funktions- und Verbindungsräume‘ generiert, die zu einem räumlichen System verknüpft sind. Anschließend kann die aktuelle Zerschneidung der Netzwerke durch Verkehrstrassen aufgezeigt werden, um darauf aufbauend prioritäre Abschnitte zur Wiedervernetzung zu ermitteln (Teil II). Begleitend wird das Konzept der unzerschnittenen Funktionsräume (UFR) entworfen, mit dem die Indikation von Habitatzerschneidung auf Landschaftsebene möglich ist. Diskutiert werden schließlich die Eignung der Ergebnisse als kleinmaßstäblicher Zielrahmen, Tests zur Validierung, Vergleiche mit Verbundplanungen und verschiedene Setzungen im GIS-Algorithmus. Erläuterungen zu den Einsatzmöglichkeiten erfolgen beispielsweise für die Bereiche Biotopverbund- und Landschaftsplanung, Raumordnung, Strategische Umweltprüfung, Verkehrswegeplanung, Unterstützung des Konzeptes der Lebensraumkorridore, Kohärenz im Schutzgebietssystem NATURA 2000 und Aufbau von Umweltinformationssystemen. Schließlich wird ein Rück- und Ausblick mit der Formulierung des weiteren Forschungsbedarfs verknüpft.

Towards Direct Policy Search Reinforcement Learning for Robot Control

This paper proposes a high-level reinforcement learning (RL) control system for solving the action selection problem of an autonomous robot. Although the dominant approach, when using RL, has been to apply value function based algorithms, the system here detailed is characterized by the use of direct policy search methods. Rather than approximating a value function, these methodologies approximate a policy using an independent function approximator with its own parameters, trying to maximize the future expected reward. The policy based algorithm presented in this paper is used for learning the internal state/action mapping of a behavior. In this preliminary work, we demonstrate its feasibility with simulated experiments using the underwater robot GARBI in a target reaching task

Analysis and compensation of power amplifier nonlinearity in MIMO transmit diversity systems

The nonlinearity of high-power amplifiers (HPAs) has a crucial effect on the performance of multiple-input-multiple-output (MIMO) systems. In this paper, we investigate the performance of MIMO orthogonal space-time block coding (OSTBC) systems in the presence of nonlinear HPAs. Specifically, we propose a constellation-based compensation method for HPA nonlinearity in the case with knowledge of the HPA parameters at the transmitter and receiver, where the constellation and decision regions of the distorted transmitted signal are derived in advance. Furthermore, in the scenario without knowledge of the HPA parameters, a sequential Monte Carlo (SMC)-based compensation method for the HPA nonlinearity is proposed, which first estimates the channel-gain matrix by means of the SMC method and then uses the SMC-based algorithm to detect the desired signal. The performance of the MIMO-OSTBC system under study is evaluated in terms of average symbol error probability (SEP), total degradation (TD) and system capacity, in uncorrelated Nakagami-m fading channels. Numerical and simulation results are provided and show the effects on performance of several system parameters, such as the parameters of the HPA model, output back-off (OBO) of nonlinear HPA, numbers of transmit and receive antennas, modulation order of quadrature amplitude modulation (QAM), and number of SMC samples. In particular, it is shown that the constellation-based compensation method can efficiently mitigate the effect of HPA nonlinearity with low complexity and that the SMC-based detection scheme is efficient to compensate for HPA nonlinearity in the case without knowledge of the HPA parameters.

Multiresolution semantic activity characterisation and abnormality discovery in videos

This paper addresses the issue of activity understanding from video and its semantics-rich description. A novel approach is presented where activities are characterised and analysed at different resolutions. Semantic information is delivered according to the resolution at which the activity is observed. Furthermore, the multiresolution activity characterisation is exploited to detect abnormal activity. To achieve these system capabilities, the focus is given on context modelling by employing a soft computing-based algorithm which automatically enables the determination of the main activity zones of the observed scene by taking as input the trajectories of detected mobiles. Such areas are learnt at different resolutions (or granularities). In a second stage, learned zones are employed to extract people activities by relating mobile trajectories to the learned zones. In this way, the activity of a person can be summarised as the series of zones that the person has visited. Employing the inherent soft relation properties, the reported activities can be labelled with meaningful semantics. Depending on the granularity at which activity zones and mobile trajectories are considered, the semantic meaning of the activity shifts from broad interpretation to detailed description.Activity information at different resolutions is also employed to perform abnormal activity detection.

Algorithms for two-dimensional cutting stock and strip packing problems using dynamic programming and column generation

We investigate several two-dimensional guillotine cutting stock problems and their variants in which orthogonal rotations are allowed. We first present two dynamic programming based algorithms for the Rectangular Knapsack (RK) problem and its variants in which the patterns must be staged. The first algorithm solves the recurrence formula proposed by Beasley; the second algorithm - for staged patterns - also uses a recurrence formula. We show that if the items are not so small compared to the dimensions of the bin, then these algorithms require polynomial time. Using these algorithms we solved all instances of the RK problem found at the OR-LIBRARY, including one for which no optimal solution was known. We also consider the Two-dimensional Cutting Stock problem. We present a column generation based algorithm for this problem that uses the first algorithm above mentioned to generate the columns. We propose two strategies to tackle the residual instances. We also investigate a variant of this problem where the bins have different sizes. At last, we study the Two-dimensional Strip Packing problem. We also present a column generation based algorithm for this problem that uses the second algorithm above mentioned where staged patterns are imposed. In this case we solve instances for two-, three- and four-staged patterns. We report on some computational experiments with the various algorithms we propose in this paper. The results indicate that these algorithms seem to be suitable for solving real-world instances. We give a detailed description (a pseudo-code) of all the algorithms presented here, so that the reader may easily implement these algorithms. (c) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

An effortless hybrid method to solve economic load dispatch problem in power systems

This paper proposes a new approach and coding scheme for solving economic dispatch problems (ED) in power systems through an effortless hybrid method (EHM). This novel coding scheme can effectively prevent futile searching and also prevents obtaining infeasible solutions through the application of stochastic search methods, consequently dramatically improves search efficiency and solution quality. The dominant constraint of an economic dispatch problem is power balance. The operational constraints, such as generation limitations, ramp rate limits, prohibited operating zones (POZ), network loss are considered for practical operation. Firstly, in the EHM procedure, the output of generator is obtained with a lambda iteration method and without considering POZ and later in a genetic based algorithm this constraint is satisfied. To demonstrate its efficiency, feasibility and fastness, the EHM algorithm was applied to solve constrained ED problems of power systems with 6 and 15 units. The simulation results obtained from the EHM were compared to those achieved from previous literature in terms of solution quality and computational efficiency. Results reveal that the superiority of this method in both aspects of financial and CPU time. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Uma investigação de algoritmos exatos e metaheurísticos aplicados ao nonograma

Nonogram is a logical puzzle whose associated decision problem is NP-complete. It has applications in pattern recognition problems and data compression, among others. The puzzle consists in determining an assignment of colors to pixels distributed in a N  M matrix that satisfies line and column constraints. A Nonogram is encoded by a vector whose elements specify the number of pixels in each row and column of a figure without specifying their coordinates. This work presents exact and heuristic approaches to solve Nonograms. The depth first search was one of the chosen exact approaches because it is a typical example of brute search algorithm that is easy to implement. Another implemented exact approach was based on the Las Vegas algorithm, so that we intend to investigate whether the randomness introduce by the Las Vegas-based algorithm would be an advantage over the depth first search. The Nonogram is also transformed into a Constraint Satisfaction Problem. Three heuristics approaches are proposed: a Tabu Search and two memetic algorithms. A new function to calculate the objective function is proposed. The approaches are applied on 234 instances, the size of the instances ranging from 5 x 5 to 100 x 100 size, and including logical and random Nonograms

Synchronization of the unified chaotic system and application in secure communication

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Photon-induced multiple particle emissions of Zr90 and natZr from 10 to 140 MeV

A comprehensive analysis of electrodisintegration yields of protons on Zr90 is proposed taking into account the giant dipole resonance, isovector giant quadrupole resonance (IVGQR), and quasideuteron contributions to the total photoabsorption cross section from 10 to 140 MeV. The calculation applies the MCMC intranuclear cascade to address the direct and pre-equilibrium emissions and another Monte Carlo-based algorithm to describe the evaporation step. The final results of the total photoabsorption cross section for Zr90 and relevant decay channels are obtained by fitting the (e,p) measurements from the National Bureau of Standards and show that multiple proton emissions dominate the photonuclear reactions at higher energies. These results provide a consistent explanation for the exotic and steady increase of the (e,p) yield and also a strong evidence of a IVGQR with a strength parameter compatible with the E2 energy-weighted sum rule. The inclusive photoneutron cross sections for Zr90 and natZr, derived from these results and normalized with the (e,p) data, are in agreement within 10% with both Livermore and Saclay data up to 140 MeV. © 2007 The American Physical Society.

Multiple particle and cluster emissions from Zr following intermediate energies photo absorption

A new approach based on a N-a cluster photoabsorption model is proposed for the understanding of the puzzling steady increase behavior of the 90Zr (e, α) yield measured at the National Bureau of Standards (NBS) within the Giant Dipole Resonance and quasideuteron energy range. The calculation takes into account the pre-equilibrium emissions of protons, neutrons and alpha particles in the framework of an extended version of the multicollisional intranuclear cascade model (MCMC). Another Monte Carlo based algorithm describes the statistical decay of the compound nucleus in terms of the competition between particle evaporation (p, n, d, α, 3He and t) and nuclear fission. The results reproduce quite successfully the 90Zr (e,α) yield, suggesting that emissions of a particles are essential for the interpretation of the exotic increase of the cross sections.

Optimum-Path Forest pruning parameter estimation through Harmony Search

Pattern recognition in large amount of data has been paramount in the last decade, since that is not straightforward to design interactive and real time classification systems. Very recently, the Optimum-Path Forest classifier was proposed to overcome such limitations, together with its training set pruning algorithm, which requires a parameter that has been empirically set up to date. In this paper, we propose a Harmony Search-based algorithm that can find near optimal values for that. The experimental results have showed that our algorithm is able to find proper values for the OPF pruning algorithm parameter. © 2011 IEEE.

Particle swarm optimization aplicada ao planejamento da expansão de sistemas de transmissão

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

Constrained least square pre-distortion scheme for multiuser ultra-wideband

The study proposes a constrained least square (CLS) pre-distortion scheme for multiple-input single-output (MISO) multiple access ultra-wideband (UWB) systems. In such a scheme, a simple objective function is defined, which can be efficiently solved by a gradient-based algorithm. For the performance evaluation, scenarios CM1 and CM3 of the IEEE 802.15.3a channel model are considered. Results show that the CLS algorithm has a fast convergence and a good trade-off between intersymbol interference (ISI) and multiple access interference (MAI) reduction and signal-to-noise ratio (SNR) preservation, performing better than time-reversal (TR) pre-distortion.